1、976nm直接单端泵浦直接单端泵浦10kW级单纤系统设计与实验研究级单纤系统设计与实验研究目录 研究背景 研究现状 10kW系统设计与实验进展 结论与下一步计划目录 研究背景 研究现状 10kW系统设计与实验进展 结论与下一步计划研究背景p高能光纤激光系统有着广泛的应用 高效率 高光束质量 体积小，重量轻 柔性传输 高可靠性军事、医疗、高端制造研究背景p高能光纤激光系统在军事方向应用广泛 军用激光wq系统对光纤激光光源性能提出了高的要求：高光束质量 高功率/质量比 高的光谱可控性 高可靠性 面向军事应用的光纤激光系统输出功率和品质的提升面临诸多物理与技术因素的限制。研究背景p高能光纤激光系统面
2、临的挑战p 物理受限：非线性（SRS、SBS、TMI）带来的输出品质（功率 光束质量、光谱纯度）的劣化p 技术受限：泵浦亮度（泵浦LD及泵浦耦合技术）、功率负载（材料相关）、热负载（热管理技术）带来的输出功率受限p 受限解决方法：设计、材料、器件等几大环节耦合矛盾目录 研究背景 研究现状 10kW系统设计与实验进展 结论与下一步计划研究现状p高能光纤激光功率提升之路军用门槛100kW高能光纤激光系统功率合成技术提升功率保持品质提升功率保持品质单纤功率提升单纤kW级单纤10kW级单路100kW？几何并束？靶面功率合成共孔径功率合成光谱合成相干合成偏振合成研究现状p单纤功率提升国际p IPG公司：
3、“军民通吃，一家独大！”n 单纤独领风骚：10kW近衍射极限n 2016年：实现单纤20kWGTwave：分布式泵浦，热负载均匀；反向泵浦，抑制SRS和TMI；1018泵浦：激光器泵浦激光器，亮度高，耦合泵浦功率量级提升；主放光纤量子效率高，内热低，抑制SRS和TMI 对光纤材料要求高：一般掺杂1018吸收系数低，光纤使用长，非线性无法抑制；但高掺杂材料功率负载挑战大 总体效率有损失：9761018106431191IPG突破高掺杂材料、高效率LD技术，电光效率30%热负载研究现状p单纤功率提升国内p 清华大学10kWp 国防科技大学10kW双端泵浦：泵浦注入能力提升一倍；有一定的非线性抑制效
4、果；976nm泵浦：对光纤材料要求低，正常吸收系数光纤即可，光纤短，非线性可控 双端泵热负载集中：两端泵浦注入点附近温度高；两端泵浦耦合器件热负载高，可靠性是问题1018端面泵浦：激光器泵浦激光器，亮度高，耦合泵浦功率量级提升；主放光纤量子效率高，内热低，抑制SRS和TMI 对光纤材料要求高：总体效率有损失：正向端面泵浦 非线性抑制难度大 材料、器件、泵浦亮度受限，国内目前仍聚焦解决突破亮度受限，将足够的泵浦激光注入，获得足够功率输出方向，品质有待提高。目录 研究背景 研究现状 10kW系统设计与实验进展 结论与下一步计划10kW系统设计p 976nm端泵的方式实现IPG式的分布式泵浦？si/
5、pumpcorecladgnalpumppumpAbSSPAbTAb 假设增益做到变芯包比，光纤芯包比沿光纤轴向逐渐增大光纤的泵浦功率吸收逐渐增强光纤信号功率逐步增加热负载均匀和非线性效应得到抑制等效分布式泵浦05101500.050.10.150.20.250.30.350.4z(m)N2 前泵反泵双泵线性包层线性-常数包层05101502468101214z(m)泵浦P(kW)虚线：前向实线：反向0510150510152025z(m)T_co(K)051015050100150200250300350z(m)T(0)(oC)05101520406080100120140160180z(m
6、)T_coat(oC)051015024681012z(m)激光功率P(kW)10kW系统设计p 等效分布式泵浦的变芯包比设计 相同泵浦功率和输出下，变芯包比设计功率分布、热负载分布更均匀，等效分布式10kW系统设计p 验证思路难度分解到反向泵浦/信号合束器和特殊结构光纤上变换1变换2泵浦/信号合束器：功率负载高光纤：包层变径工艺；10kW级负载，纯度够不够？泵浦/信号合束器负载问题放一放光纤材料变径工艺问题放一放；验证材料纯度功率负载问题10kW系统设计p 变换后的验证方案仍面临问题1.目前976nm泵浦源亮度不够：能够获得的最高功率泵浦源1.7kW300um，按照传统（6+1）1泵浦/信号
7、合束器，耦合泵浦功率受限，无法实现10kW级输出 2.端面泵浦热负载集中，主放光纤泵浦注入附近，发热太高，难以承受。10kW系统设计p 976nm端面泵浦10kW系统设计 扩大主放光纤直径，容纳更多泵浦激光器条件：现有最大亮度泵浦源Dilas1.7kW尾纤300/330NA0.22 泵浦/信号束器信号光纤复用泵浦激光1.7kW685%=8.7kW（1.7kW6+2kW）85%=10.3kW51015202530354045500100020003000400050006000光纤长度(m)有源光纤掺杂浓度/ppm 30/400光纤30/900光纤10kW系统设计p 976nm端面泵浦10kW系
8、统设计51015202530354045500100200300400500600光纤长度(m)温度()30/900光纤泵浦注入点芯区温度30/900光纤泵浦注入点涂覆层温度30/400光纤泵浦注入点芯区温度30/400光纤泵浦注入点涂覆层温度假定2种光纤具有相同的包层材料（石英）导热率、涂覆层厚度（如100 m）、相同的冷却换热系数和工作环境温度（300 K）以及端面10.4 kW泵浦激光注入。计算2种有源光纤端面泵浦注入点的温度随光纤长度的变化如图3所示。可以看出在相同主放光纤长度下，900 m包层的有源光纤的泵浦注入区温度低于400 m包层的有源光纤，并且系统所用主放有源光纤越短（相应掺
9、杂浓度越高），该温度差异越明显。由于光纤系统芯区和涂覆层温度越高，越容易造成光纤的熔融毁伤，并且由于采用短的光纤更有利于抑制高功率光纤系统的非线性效应，因此900 m包层的有源光纤在热管理可靠性和非线性抑制较常规400 m包层的有源光纤更具优势。扩大主放光纤直径，降低泵浦注入点热负载10kW系统设计p 976nm端面泵浦10kW系统设计 基于一级振荡+一级放大的（1+1）MOPA结构 通过（18+1）1将泵浦激光注入（6+1）1泵浦 /信号合束器的信号光纤，补充更多的泵浦功率 振荡级小功率（150W）注入10kW系统实验验证p 关键界面的处理技术光纤图像（熔接机）获得完美的熔点图像处理反馈控制
10、熔接机纤芯对准0200400020406080100120229.0光纤宽度/像素灰度值左侧光纤0200400020406080100120光纤宽度/像素灰度值右侧光纤220.5 针对国产特种光纤开发切割、熔接、再涂覆技术涂覆层端口特殊处理10kW系统实验验证p 齐装配套自制器件 开发10kW级系统可用的光纤CPS、QBHQBH：承载功率10kWCPS：包层功率剥离能力1.5kW10kW系统实验验证p 实验结果1.5kWCPS 去掉输出残余泵浦激光，扣除功率计系数影响，激光输出功率9.5kW，放大级 光 光 效 率83.6%泵浦注入点温度5510kW系统实验验证p 结果及讨论1.残余泵浦功率不
11、高，SRS能量占比极小，长波段能量占比过高（强烈模间四波混频效应）需要优化种子源(波长和光谱，抑制ASE和由种子源引入的边带)2.优化输出准直设计，完成光束质量测试3.泵浦/信号合束器实际只实现了6组泵浦注入共约11.4kW的976nm泵浦激光，其中有一组泵浦臂损耗较大无法注入泵浦激光，需要优化器件，增加2kW泵浦注入。目录 研究背景 研究现状 10kW系统设计与实验进展 结论与下一步计划结论结论 提出一种等效分布式泵浦的变芯包比光纤激光系统设计，具备高品质10kW级以上输出的能力；开展了变芯包比10kW级光纤激光系统分解设计，通过扩大主放光纤芯径、复用泵浦/信号合束信号光纤，解决10kW系统热负载和泵浦亮度不足问题，从而实现满足10kW输出的足够泵浦激光注入 首次采用国产增益和匹配光纤、国产泵浦/信号合束器、自制CPS、QBH，完成976nm直接端面泵浦的10kW级单纤激光系统演示，实现9.5kW的输出下一步研究计划下一步研究计划 进一步优化泵浦/信号合束器，实现全泵浦注入，实现10kW的输出，完成光谱优化和光束质量测试；开展变芯包比光纤的制备，开展等效分布式泵浦的变芯包比光纤设计的实验验证，探索具有全自主创新设计的单纤单模10kW激光系统之路
